La carte mère est le circuit imprimé qui supporte la plupart des composants et des connecteurs nécessaires au fonctionnement d'un micro-ordinateur. Elle est essentiellement composée de circuits imprimés et de ports de connexion qui assurent la liaison de tous les composants et périphériques propres à un micro-ordinateur (disques durs (HDD/SSD), mémoire vive (RAM Random acces memory), microprocesseur, cartes filles) afin qu'ils puissent être reconnus et configurés par le microprocesseur grâce au programme contenu dans le BIOS (basic input output system) devant effectuer la configuration et le démarrage correct de tous les équipements.
Introduction vignette|upright|Une carte mère de station de travail professionnelle Dell Precision T3600. C'est la carte principale d'un micro-ordinateur qui regroupe les circuits principaux pour l'alimentation et les données (bus) sous contrôle du chipset et du BIOS tels que : les ports internes sous forme de pin (microprocesseur : connecteur ou courant, ventilateur, connecteur de la carte mère LED) ; les slots pour les cartes optionnelles (ISA, AGP, PCI, PCI Express, RAM, DDR, disque SSD / flash la mémoire) les connecteurs externes utilisant un câble (ethernet, spdif, jack audio, USB, HDMI, Display port RJ45 modem) ; les connecteurs internes utilisant un câble (câble SLI entre carte graphique, câble IDE, SCSI SATA) pour le stockage des données.
Historique vignette|Carte microprocesseur d'un ordinateur NeXTcube (1990) avec un microprocesseur Motorola 68040 et un processeur de signal numérique Motorola 56001 : ce composant était accessible via le connecteur.
Avant l’invention des microprocesseurs, l’unité centrale d’un ordinateur comportait plusieurs cartes à transistors connectées à une carte « fond de panier » : cette carte, fixée sur le bâti (ou rack) portait les différents connecteurs. Dans les calculateurs encore plus anciens, les broches des cartes mémoire et du processeur étaient reliées aux connecteurs par des fils électriques, mais les circuits imprimés se sont imposés dès la fin des années 1960. L’unité centrale, la mémoire centrale et les périphériques possédaient des cartes à circuit imprimé distincts, branchés chacun à un connecteur particulier de la carte fond de panier.
Avec l’arrivée sur le marché des premiers microprocesseurs (1974), il devint possible de connecter sur un seul circuit l’unité centrale et le gestionnaire de bus (circuit de communication série RS-232, ou parallèle : PIO) ; il y avait encore des cartes mémoire et une carte d'entrées-sorties séparées pour gérer les périphériques, le tout étant raccordé à la carte fond de panier et l’alimentation électrique. Le bus S-100 d'Altair est une architecture typique des années 1970, permettant ce type de configuration matérielle.
Au début des années 1980, des diagrammes de branchement de l'unité centrale aux cartes mémoires et à la carte d'entrée-sortie se mirent à fleurir dans la presse pour les PC les plus répandus (l’Apple II et surtout l’IBM PC) : outre la possibilité de faire des échanges standard de carte en cas de sinistre, ils permettaient des configurations variées. C'est ainsi que la vogue des compatibles IBM vit le jour.
L’augmentation du taux d'intégration et de la finesse de gravure fit qu’à la fin des années 1980, il devint possible d’agréger sur une seule carte l’unité centrale, son bus et ses circuits mémoires. C’est au point que certains circuits intégrés (dits circuits « Super I/O ») pouvaient gérer plusieurs périphériques lents à la fois, tels les claviers de port PS/2, la souris, le lecteur de disquette, le port série de l'imprimante et même plusieurs ports parallèles. Dès la fin des années 1990, plusieurs ordinateurs individuels possédaient une véritable carte-mère (standards AT., puis ATX) intégrant la RAM, la carte son et la carte vidéo sans qu'il soit nécessaire d'y raccorder de cartes d'extension ; mais la demande était déjà tirée par les adeptes de jeux vidéo 3D et de la retouche photo, appelant à l’adjonction d’une carte graphique séparée.. Sur le marché professionnel, les cartes d’extension graphiques ou de routage se multipliaient avec l’utilisation de stations de travail (pour la conception), mais surtout un recours accru aux serveurs..
Les ordinateurs portables des années 1990 n’offraient de connexion qu'avec les périphériques les plus courants. Leurs cartes-mères ne permettaient pas la substitution de composants, tendance qui s'est confirmée avec la multiplication d'assistants personnels à écran tactile (tels les tablettes, le netbook ou les smartphones).
Organisation générale Depuis sa création, la carte mère s'est sans cesse enrichie de fonctionnalités. Parmi celles-ci, on peut citer entre autres : le contrôleur USB ; le contrôleur Ethernet (qui permet de gérer le réseau fonctionnant par câble) ; la puce audio (qui permet de gérer le son). Ces fonctionnalités, qui n'étaient disponibles que par le biais de cartes d'extension jusque dans les années 1990, se retrouvent aujourd'hui sous forme de circuit intégré sur la majorité des cartes mères. Néanmoins, certaines cartesDébut des années 2010. existent encore car elles embarquent des fonctionnalités supplémentaires (Wi-Fi sous forme de carte PCI ou USB, carte mère avec sortie graphique grâce à un GPU géré par le CPU (chez Intel les microprocesseurs modèles F n'ont pas d'iGPU, chez AMD les modèles G ont un APU).
Structure Les différentes connexions (câbles, pistes sur le circuit électrique) quels que soient leurs buts (transport de données ou de courant) utilisent soit une variation de tension soit une variation de courant. L'évolution de l'informatique consiste pour chaque composant à réduire la taille et augmenter la vitesse de communication tout en évitant les températures élevées (dissipateur, ventirad, ventilateur VRM/CPU/Carte graphique). Le clavier (Téléscripteur) utilisant des cartes à perforer et une imprimante papier a été remplacé par un écran cathodique, un clavier et un magnétocassette. Le système de calcul par roues (pascaline, machine de Babbage, système anglais de décodage « Bombe ») a été remplacé par des lampes (ENIAC) puis des transistors (Busicom).
Connecteurs électriques vignette|upright|Connecteurs : - - IDE (bleu). vignette|upright|Les deux connecteurs AT. Ces connecteurs permettent d'acheminer le courant électrique du bloc d'alimentation vers la carte mère. Chaque carte en compte deux : le connecteur (broches) de type ATX : c'est l'alimentation principale de la carte. Comme son nom l'indique, cette prise compte qui permettent d'acheminer les différentes tensions d'alimentation vers la carte. En effet, tous les composants d'une carte mère ne fonctionnent pas à la même tension électrique. C'est pourquoi l'alimentation délivre trois tensions différentes : +, + et +. ; le connecteur quatre ou huit pins (broches) pour CPU : ce connecteur de forme carrée compte seulement quatre ou huit broches. Il permet d'assurer l'alimentation électrique du processeur. Il délivre une tension de +. Il existe aussi d'autres types de connecteurs électriques comme ceux adaptés aux cartes de classe AT (qui sont moins pratiques car leur inversion causerait de graves dégâts).
Support processeur Le support processeur (ou socket en anglais) est le connecteur spécifique du processeur. S'il est dit « libre » (ZIF, en anglais) il permet d'insérer et de retirer le processeur simplement en soulevant le levier de verrouillage présent sur son côté afin de débloquer le socket aisément pour installer ou retirer le processeur. Ce système présent sur toutes les cartes mères récentes permet une grande modularité puisque l'on peut y installer tout processeur compatible avec le brochage. En pratique, certaines contraintes s'imposent, à savoir : Marque du processeur depuis 2010, les deux principaux constructeurs de processeurs sont Intel et AMD. Leurs processeurs différent de par leurs caractéristiques physiques : chez AMD, les processeurs sont couverts de petites broches de connexion sur leur face inférieure et le socket correspondant est percé de trous dans lesquels vient s'enficher le processeur (conception dite PGA) ; Intel utilise la technique inverse, c'est-à-dire que les broches de connexion se trouvent sur le socket alors que la surface inférieure du processeur est couverte de petites surfaces de contact (conception dite LGA). En 2020, AMD utilise le Socket AM4 pour ses processeurs, Intel utilise le socket LGA 1151 pour les principaux processeurs grand public (Génération Skylake pour les : Pentium / Core I3 / Core I5 / Core I7). Génération du processeur Chaque nouvelle génération de processeur (que ce soit chez Intel ou AMD) utilise un socket légèrement différent (de par le placement des broches de connexion). De ce fait, chaque nouvelle génération n'est pas rétrocompatible avec la précédente ce qui oblige l'utilisateur à changer de carte mère lorsqu'il veut installer un processeur qui n'est pas compatible avec la carte qu'il possède déjà.
vignette|redresse|Description d'un microprocesseur et de son chipset (2007). Pour faire cohabiter et fonctionner tous ces composants, la carte mère utilise un jeu de circuits spécifiques appelé chipset. Celui-ci se divise sur les anciens PC en deux parties distinctes : le « pont nord » (en anglais ), pour les périphériques « rapides » (mémoire, PCI Express). Depuis 2011, cette partie de chipset (contrôleur mémoire, PCIe) a été progressivement intégrée dans le microprocesseur. ; le « pont sud » (en anglais ) pour les périphériques « lents » (, disques durs et SSD…) Depuis 2011, il ne sert plus que de contrôleur d'entrée-sortie (USB, SATA), de contrôleur d'affichage...
Bus
Les bus pont nord et pont sud du microprocesseur (cf. schéma ci-contre), utilisent chacun un bus spécifique de la carte mère allant vers la mémoire et les périphériques (internes et externes).
Depuis les années 1990, la carte mère s'est dotée du bus PCI qui permet de connecter toutes les cartes d'extensions. Ce bus PCI se décline en deux versions de vitesses différentes : le plus rapide étant le PCI Express dédié, entre autres, aux cartes graphiques.
Les bus externes (E-SATA, USB, HDMI) sont reliés au bus PCI via des connecteurs de la carte mère ou les panneaux d’accès externes.
Depuis les années 2000, le constructeur AMD utilise lui le bus HyperTransport, pour relier le processeur aux banques de mémoire, à l'instar d'Intel qui utilise lui un bus QPI (QuickPath Interconnect), depuis 2008.
BIOS et UEFI vignette|redresse|Fonctionnement synthétique de l'EFI (Extensible Firmware Interface). Lors du démarrage, la carte mère a besoin de savoir quels périphériques lui sont connectés. Pour effectuer cette tâche, elle dispose d'un initialement appelé BIOS (de l'anglais « signifiant système d'entrée/sortie de base ») ou sur les ordinateurs plus récents de son équivalent l'UEFI. L'un et l'autre sont contenus dans une puce de « mémoire morte » (initialement ROM puis EEPROM (ou EPROM)) soudée à même la carte mère. Le microprocesseur lance ce code automatiquement lorsque la carte est mise sous tension — autrement dit, lorsque l'utilisateur allume son ordinateur :